CN107252970A - 一种激光焊接系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光焊接系统及方法，其中系统包括位于焊件的焊缝两侧的两个横向旋转磁场发生器，以及位于焊件的焊缝上方的超声波发生器，横向旋转磁场发生器与超声波发生器位于同一纵面上。本发明所提供的激光焊接系统，可以实现横向旋转磁场和超声场的叠加，对熔池凝固过程时，在水平方向和垂直方向施加洛伦兹力和纵波使熔池在各个方向得到充分的搅拌，从而使凝固的焊缝得到更精细的晶粒；超声场与电磁场复合作用下，可以有效改善超声处理作用范围小的不足，超声场空化作用也可以强化电磁搅拌对组织的细化效果，对熔池的凝固组织细化有很大的帮助；复合场的介入使熔池各位置晶粒得到细化，减少气孔的产生，可以优化各个焊接参数的范围。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种激光焊接系统及方法。
背景技术
我国作为制造业大国，激光焊接广泛应用于工业制造领域，例如汽车制造，建筑业和军事领域等。激光焊接是利用激光瞬时能量密度高的特点，通过激光束与金属材料的热能量传递与作用，将金属材料转变为熔融状态再冷却凝固的过程，但是由于激光功率过大，焊接过程的匙孔形态的变化，金属蒸汽的流动，飞溅的产生都会对熔融金属凝固时的晶粒组织产生影响，进而影响焊缝成形。
目前，为了改善焊缝质量，一般采用以下四种方法：
1、调整激光焊接过程中的工艺参数：焊接速度、焊接激光功率、保护气体的流速、离焦量等，来改善激光焊接中产生的缺陷；
上述方法，通过激光焊接工艺参数的调节来改善焊缝成形需要大量的实验数据才能得到最优的焊接参数，且不同金属材料的焊接所需要的焊接参数各不相同，工艺复杂，参数确定繁琐。
2、设置横向旋转磁场：施加磁场后熔池金属不断切割磁力线，从而被搅动并不断冲刷凝固层，此时液固界面前沿晶体和枝晶破碎、脱落，造成较强的温度起伏，加强晶体脱落以后的形核增殖作用并获得细小晶体，从而改善焊缝质量；
上述方法，横向旋转磁场对熔池的影响只能在水平方向上，对熔池的搅拌不够充分，当励磁电流低于临界值时对焊缝成形无影响。
3、设置超声发生器：通过超声振动作用于焊接板上，减少焊缝气孔的产生，优化焊接熔池的形成、流动和凝固等跨状态转变阶段，达到改善焊缝组织的效果；
上述方法，超声发生作用器通过传递方法作用于熔池。超声作用位置距离熔池越远，其作用效果越差，作用范围越有限制。电弧超声在熔池中为纵波传播，熔合区中间的晶粒细化程度优于两侧焊趾处。
4、在焊板上涂层活性剂，可以有效改变激光焊接过程中焊缝咬边的深度以及焊缝的熔宽和余高，改善焊缝形貌；
上述方法，不同成分的活性剂的加入可以随着使用者的意愿使焊缝熔宽、余高等参数增加或者减小，改善焊缝外貌。单活性剂的加入会使焊缝熔合区的气孔数增加。有些活性剂(Cr2O3)会使熔合区出现金属夹杂现象，而在添加活性剂的激光焊焊接接头抗拉强度均比无活性剂激光焊焊接接头的抗拉强度低等缺点。
现有技术中，一般采用上述四种方法中的任意一种方法，来改善焊缝的质量，每种方法都具有其较为明显的缺点，对于焊缝质量的改善效果不显著。
因此，如何有效改善焊缝的质量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光焊接系统及方法，用于细化熔池中的晶粒，使得凝固组织分布更加均匀，提高抗腐蚀和力学性能，减少气泡的产生。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光焊接系统，包括位于焊件的焊缝两侧的两个横向旋转磁场发生器，以及位于所述焊件的焊缝上方的超声波发生器，所述横向旋转磁场发生器与所述超声波发生器位于同一纵面上。
优选的，位于所述焊缝两侧的所述横向旋转磁场发生器的连线，与所述超声波发生器正下方的交界点位于所述焊件的熔池内。
优选的，还包括安装在机床上并位于所述焊件的焊缝上方的激光头。
优选的，所述焊件为对接焊件。
优选的，所述横向旋转磁场发生器为交流电旋转磁场发生器，并且，交流旋转磁场的强度可通过交流频率调节，所述交流频率为8hz～12hz。
优选的，所述超声波发生器包括超声波振动源、换能器、变幅杆和工具头，上述超声波振动源可将工频电转化为高功率、高频率的电流提供给所述换能器，所述换能器将其转化为机械振动能，通过所述变幅杆将振幅放大后送到所述工具头，从而作用于熔体。
优选的，所述工具头的底部与所述熔池上方的距离为0.5～1mm。
一种激光焊接方法，包括以下步骤：
步骤S1：安装焊件和激光头；
步骤S2：在所述焊件的焊缝两侧各安装一个横向旋转磁场发生器，在焊件的焊缝上方安装超声波发生器，所述横向旋转磁场发生器与所述超声波发生器位于同一纵面上；
步骤S3：开启所述激光头对所述焊件进行加热，所述焊件移动，直至完成焊接过程。
优选的，位于所述焊缝两侧的所述横向旋转磁场发生器的连线，与所述超声波发生器正下方的交界点位于所述焊件的熔池内。
优选的，位于所述焊件的焊缝两侧的所述横向旋转磁场的连线垂直于所述焊缝的延伸方向。
本发明所提供的激光焊接系统，包括位于焊件的焊缝两侧的两个横向旋转磁场发生器，以及位于所述焊件的焊缝上方的超声波发生器，所述横向旋转磁场发生器与所述超声波发生器位于同一纵面上。该激光焊接系统，通过横向旋转磁场发生器和超声波发生器的设置，可以实现横向旋转磁场和超声场的叠加，对熔池凝固过程时，在水平方向和垂直方向施加洛伦兹力和纵波使熔池在各个方向得到充分的搅拌，从而使凝固的焊缝得到更精细的晶粒；超声场与电磁场复合作用下，可以有效改善超声处理作用范围小的不足，超声场空化作用也可以强化电磁搅拌对组织的细化效果，将二者复合作用焊缝凝固过程，对熔池的凝固组织细化有很大的帮助；复合场的介入使熔池各位置晶粒得到细化，并且能更好的减少气孔的产生，在一定层面上，可以优化各个焊接参数的范围。
本发明所提供的激光焊接方法，包括：安装焊件和激光头；在所述焊件的焊缝两侧各安装一个横向旋转磁场发生器，在焊件的焊缝上方安装超声波发生器，所述横向旋转磁场发生器与所述超声波发生器位于同一纵面上；开启所述激光头对所述焊件进行加热，所述焊件移动，直至完成焊接过程。该激光焊接方法，使得熔池置于超声场和旋转磁场组成的复合场中，对熔池中合金熔体晶粒强烈搅动，提高焊缝的合金力学性能：强度、硬度、抗弯强度和抗拉强度等，还能减少焊缝中气孔气泡的产生，有效提高焊缝质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的激光焊接系统一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明所提供的激光焊接方法的流程图；
其中：1-超声波发生器、2-焊件、3-横向旋转磁场发生器、4-熔池、5-变幅杆、6-工具头。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种激光焊接系统及方法，能够细化熔池中的晶粒，使得凝固组织分布更加均匀，提高抗腐蚀和力学性能，减少气泡的产生，有效改善焊缝质量。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供的激光焊接系统一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明所提供的激光焊接方法的流程图。
在该实施方式中，激光焊接系统包括横向旋转磁场发生器3和超声波发生器1。
其中，横向旋转磁场发生器3的个数为两个，分别位于焊件2的焊缝两侧，超声波发生器1位于焊件2的焊缝上方，横向旋转磁场发生器3与超声波发生器1位于同一纵面上，横向旋转磁场发生器3，即励磁装置，产生的横向旋转磁场和功率超声波产生的声空化和声流效应相互促进的情况下，产生的螺旋复合场使激光焊接过程中熔池4全方位得到充分的搅拌，使熔体被迫充分搅动从而获得晶粒组织细化、成分均匀、表面质量好且气孔较少的焊缝。而电磁搅拌相应的会产生感应热，可加剧熔池4在固液界面的温度波动，产生的剪切力可以使枝晶臂熔断。
该激光焊接系统，通过横向旋转磁场发生器3和超声波发生器1的设置，可以实现横向旋转磁场和超声场的叠加，对熔池4凝固过程时，在水平方向和垂直方向施加洛伦兹力和纵波使熔池4在各个方向得到充分的搅拌，从而使凝固的焊缝得到更精细的晶粒；超声场与电磁场复合作用下，可以有效改善超声处理作用范围小的不足，超声场空化作用也可以强化电磁搅拌对组织的细化效果，将二者复合作用焊缝凝固过程，对熔池4的凝固组织细化有很大的帮助；复合场的介入使熔池4各位置晶粒得到细化，并且能更好的减少气孔的产生，在一定层面上，可以优化各个焊接参数的范围。
在上述各实施方式的基础上，位于焊缝两侧的横向旋转磁场发生器3的连线，与超声波发生器1正下方的交界点位于焊件2的熔池4内，可以保证复合场作用在熔池4中，保证熔池4的凝固质量。
在上述各实施方式的基础上，还包括安装在机床上并位于焊件2的焊缝上方的激光头，激光头产生的激光打在焊件2的焊缝上，将焊件2熔化后，实现焊接。
这里需要说明的是，在焊接过程中，仅焊件2移动，横向旋转磁场发生器3、超声波发生器1和激光头的位置均固定，方便操作。
在上述各实施方式的基础上，焊件2为对接焊件2，即该焊接系统主要用于将两块钢板焊接固定为一体结构。
进一步，焊件2具体为非磁性材料，可以为钢板，具体可以为不锈钢板，高碳钢板等。
在上述各实施方式的基础上，横向旋转磁场发生器3优选为交流电磁场发生器。
上述设置，相对于使用直流电，交流电产生的旋转磁场更有实用性，参数调节也更加方便，调节电压可以直接根据变压器直接改变电压，而且交流旋转磁场的强度还可以通过频率来调节，最优频率是在8hz～12hz之间，次频率范围磁感应强度值稳定。频率的增大，搅拌器内中心磁感应强度降低。因为任何金属对交变磁场都有屏蔽作用，搅拌频率增大，集肤层厚度减小，对磁场的屏蔽作用增强，因而搅拌器中心的磁感应强度降低。
在上述各实施方式的基础上，超声波发生器1包括超声波振动源、换能器、变幅杆5和工具头6，其中，超声波振动源作为驱动电源，驱动电源可将工频电转化为高功率、高频率的电流提供给换能器，换能器将高功率、高频率的电流转化为机械振动能，然后通过变幅杆5将振幅放大后送到工具头6，从而作用于熔池4内的熔体。
优选的，所述工具头6的底部与所述熔池4上方的距离为0.5～1mm，便于振动能作用于整个熔池4上。
这里需要说明的是，工具头6和变幅杆5之间可以采用连接螺栓进行紧固，同时，超声波发生器1可以通过螺栓安装在激光头的后部。
本实施例所提供的焊接系统，横向旋转磁场发生器3的作用机理是利用外加交变磁场，旋转磁场切割激光焊接熔池4中的液态金属，在熔池4液态金属中产生感生电流，液态金属就相当于载流导体，在旋转磁场中受到电磁力的作用，因而，旋转磁场使熔池4中液态金属产生旋转运动。
而超声波发生器1通过在熔池4中的振动，产生声空化和声流效应，强化熔池4的对流，横向旋转磁场和超声场的复合，使得原本熔池4中的旋转磁场转变为螺旋磁场，进而产生较大的轴向分力，轴向分量扩大超声作用的覆盖面积和纵深范围，强化了超声破碎枝晶、细化组织的作用并且大大促进了功率超声波在整个熔池4内实现爆发生核，这是凝固过程中细化晶粒的关键。由于旋转磁场转变为螺旋磁场，并且与超声场的共同作用，引起整个熔池4更加强烈的搅动，一方面能使超声空化作用产生的大量凝固核心，另一方面能使熔池4不断波动，能加快熔池4底部气孔的溢出速度，进而降低焊缝在凝固时保留的气孔数量。
除上述激光焊接系统外，本发明还提供了一种激光焊接方法。
该激光焊接方法包括以下步骤：
步骤S1：安装焊件2和激光头，激光头可安装在焊接机床上，焊件2安装在机床导轨上，方便焊件2的移动，焊件2的移动方向应当平行于焊缝的延伸方向；
步骤S2：在焊件2的焊缝两侧各安装一个横向旋转磁场发生器3，在焊件2的焊缝上方安装超声波发生器1，横向旋转磁场发生器3与超声波发生器1位于同一纵面上，即保证横向旋转磁场发生器3产生的电磁场与超声波发生器1产生的超声场可以叠加在作用在焊缝上，具体应当作用在熔池4内；
步骤S3：开启激光头对焊件2进行加热，焊件2移动，直至完成焊接过程。
该激光焊接方法，使得熔池4置于超声场和旋转磁场组成的复合场中，对熔池4中合金熔体晶粒强烈搅动，提高焊缝的合金力学性能：强度、硬度、抗弯强度和抗拉强度等，还能减少焊缝中气孔气泡的产生，有效提高焊缝质量。
在上述各实施方式的基础上，位于焊缝两侧的横向旋转磁场发生器3的连线，与超声波发生器1正下方的交界点位于焊件2的熔池4内，可以保证复合场作用在熔池4中，保证熔池4的凝固质量。
在上述各实施方式的基础上，位于焊件2的焊缝两侧的横向旋转磁场的连线垂直于焊缝的延伸方向，同样的，超声波发生器1应当垂直于焊件2的表面布置。
本实施例所提供的激光焊接系统和方法，具有以下优点：
1、施加横向旋转磁场和功率超声复合场后，熔池4中合金凝固组织在各个方向的晶粒均有一定程度的细化，凝固组织细化效果比单一外场作用的情况下更为明显，且分布更加均匀；
2、横向旋转磁场在水平方向产生的搅拌与超声流产生的轴方向搅拌相辅相成，横向旋转磁场转变为横向螺旋磁场，引起整个熔池4的强烈搅动，扩大超声空化作用的覆盖面积，加强超声波破坏破碎枝晶、细化组织的作用；
3、横向螺旋磁场加速了激光焊接过程中熔池4金属溶体的散热，冷却速度加快，将纵向超声波产生的热能均匀分布在整个熔池4，使晶体细化的更明显，显著改善合金的凝固组织，抗腐蚀和力学性能。
4、由于超声场有益于抑制熔池4中的气孔数量的产生，横向旋转磁场的轴向力的叠加将超声振动完全深入作用于整个激光焊接熔池4底部，提高熔池4底部气孔溢出速度，使气孔消除效果得到显著提高。
5、优化各个激光焊接参数范围。
以上对本发明所提供的激光焊接系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种激光焊接系统，其特征在于，包括位于焊件(2)的焊缝两侧的两个横向旋转磁场发生器(3)，以及位于所述焊件(2)的焊缝上方的超声波发生器(1)，所述横向旋转磁场发生器(3)与所述超声波发生器(1)位于同一纵面上。
2.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，位于所述焊缝两侧的所述横向旋转磁场发生器(3)的连线，与所述超声波发生器(1)正下方的交界点位于所述焊件(2)的熔池(4)内。
3.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，还包括安装在机床上并位于所述焊件(2)的焊缝上方的激光头。
4.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述焊件(2)为对接焊件。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的激光焊接系统，其特征在于，所述横向旋转磁场发生器(3)为交流电旋转磁场发生器，并且，交流旋转磁场的强度可通过交流频率调节，所述交流频率为8hz～12hz。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的激光焊接系统，其特征在于，所述超声波发生器(1)包括超声波振动源、换能器、变幅杆(5)和工具头(6)，上述超声波振动源可将工频电转化为高功率、高频率的电流提供给所述换能器，所述换能器将其转化为机械振动能，通过所述变幅杆(5)将振幅放大后送到所述工具头(6)，从而作用于熔体。
7.根据权利要求6所述的激光焊接系统，其特征在于，所述工具头(6)的底部与所述熔池(4)上方的距离为0.5～1mm。
8.一种激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：安装焊件(2)和激光头；
步骤S2：在所述焊件(2)的焊缝两侧各安装一个横向旋转磁场发生器(3)，在焊件(2)的焊缝上方安装超声波发生器(1)，所述横向旋转磁场发生器(3)与所述超声波发生器(1)位于同一纵面上；
步骤S3：开启所述激光头对所述焊件(2)进行加热，所述焊件(2)移动，直至完成焊接过程。
9.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，位于所述焊缝两侧的所述横向旋转磁场发生器(3)的连线，与所述超声波发生器(1)正下方的交界点位于所述焊件(2)的熔池(4)内。
10.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，位于所述焊件(2)的焊缝两侧的所述横向旋转磁场的连线垂直于所述焊缝的延伸方向。
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